飲用地下水源地的劃分
——以勝科水務為例

甄立達 胡成

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110623)

改革開放以來，由于重工業的蓬勃發展，水資源遭到嚴重污染。其中淡水緊缺一直是困擾我國的一大問題。地下水資源具有埋藏深、不容易受到污染、開采容易等優點。我國絕大部分飲用水來自于地下水。但是地下水一旦受到污染,極難修復。因此設立保護區是飲用水不受破壞的強有力的有效手段[1]。

設立水源保護區以國家的規章條文為基礎[2]。歐美發達國家對水資源的保護意識較早，也制定了一些規章制度體系作為劃分依據[3]，我國雖然起步較晚，但在近些年已經追趕上了發達國家，使地下飲用水的保護系統更加完善。

1 水資源保護區劃分的研究歷程

一些發達國家對地下水保護區劃分的研究有超過300a的經驗，根據劃分原則一般采用3級劃分方法。早在18世紀中葉，德國就頒布了對于地下飲用水保護的相關法律條文《水法》，并于18世紀末建立了第1個水質保護區。經過上百年的實踐總結，對水源保護區的劃分研究已經相對成熟，建立約2萬個飲用水水源保護區[4]，并建立國際上著名的50日流程等直線[7]。

英國在20世紀中葉頒布《1963年水法》，標志著其對水源保護的重視。地下水源保護區的建立到現在有大約100a多[5]。經過半個多世紀的研究，英國已經建立了近1000個水資源保護區[2]。

美國至今沒有設立關于水源地保護的法律，其水資源的技術手段多以相關法律《安全飲用水法案》等作為支撐建立一系列保護體系，如WHPP(Well Head Protection Preogram)[6]。20世紀末，美國環境部門(EPA)建立了WHPAs來維護水資源，從而總結出了相對完整的水源保護法則。

我國在這方面的起步較晚。1984年頒布《水污染防治法》[10]經過2008年和2017年修正更新，提出了建立水源保護區的規則，明確根據實際要求，重新微調保護區的半徑，保障水資源不受污染。在2005年發布的《加強環境保護的決定》[11]中強調，要實際與理論相結合，使劃分的理由更具有科學性，切實增強水源保護。2012年提出要合理規劃與布局水源地，在科學的基礎上合理劃定水源保護區，對不符合標準的及時進行調整。2016年頒布的水污染防治措施中強調，排除保護區內不合理的構筑物和污染源頭。綜合來看，我國雖然起步晚，但發展較快，目前已經建立了適合我國地下飲用水保護的體系法規。

2 地下水源保護區的劃分方法

劃分飲用水保護區是為了保障水質安全，防止水質受到破壞。設立保護區要根據當地水文地質條件和不同物質造成水資源破壞為基礎，結合理論與實際應用，并且能夠對應急性事件采用強有力措施的原則來劃分保護區。劃分地下水保護區的方法有很多種，如經驗值法、計算半徑法、解析解法和數值模擬法等[9]。

2.1 經驗值法

經驗值法是把觀測井中的水看作研究的主體，由經驗參數當作基礎，劃分各級保護區(形狀大都是圓形)。M.Knorr等發明的“50日流程等時線”就是典型的經驗值法，即水中的病原菌在地下水層的存活周期≤50d的范圍，作為一級保護區的界限。早期大多數國家都采用經驗法，我國早期也采用經驗值的方法，并在1989年采用國際上的3級劃分法[8]。該方法因為沒有考慮到水文地質參數等問題，所以得出的結果可靠性差、準確性較低。該方法適用于資料嚴重缺乏的水源地。

2.2 計算半徑法

此方法是上一種方法的升級，即根據水文地質參數為前提，選取適當的參數，通過計算公式求得其半徑(一般是圓形)。該方法因考慮其所在區域的各種參數，所以比上一種方法更加準確。本方法適用于中小型水源地保護區。

水源地保護區半徑計算常采用美國CFR(Calculated Fixed Radius)計算法[12]。該方法是假設保護區近似看成圓柱形，根據質量守恒定律，在一定時間內抽出水與流入水相等下，計算出其半徑，計算公式：

式中，Q為抽水量；t為遷移時間；b為抽水井中含水層厚度；n為有效孔隙度；rt為保護區半徑。

2.3 解析法

地下水流動解析法是將水文地質條件理想化，即含水層等厚，各項介質均質，不考慮地質類型或不考慮地下含水層類別及形態且滲流區是圓形等。在此基礎上建立方程求解，根據具體的標準來設立保護區，確定其范圍。這種方式適用于穩定流方程求解，適合用在不太復雜的水文地質水源地區域。穩定流方程：

式中，Q為開采量；i為水力梯度；T為導水系數。

20世紀末，主要用該方式劃分保護區。Bair[13]等研究出了CAPZONE模型；Shafer[14]開發出GWPATH模型。Bair等[15]用這2種模型相互結合得到了更加理想的結果。

2.4 數值模型法

數值模型法現已經作為國際上劃分保護區的首選方法。2007年，我國頒布的《規范》(HJ/T338—2007)里強調對于日供水量大于5×104m3的大型水源保護區，其保護半徑需通過數值模型法求得。其核心內容是把所在區域重新劃分成很多小的單位單元，每個單元看成均質的，選擇合適的參數，得到合理的水文地質概念模型，將變量離散化建立方程。用數值法求解，并模擬研究區內的水流狀態；最終根據質點在地下水層的路徑與在地下水層停留的時間等前提規劃各級保護區。

此方法的實施需要與計算機相配合，使其結果更加準確。其中，最具有代表性的是地下水模擬系統(Groundwater Modeling System)，簡稱GMS。包含MODFLOW、MT3DMS、RT3D等主要計算模塊。由于GMS軟件具有清晰直觀的三維立體視圖，為當下各國首選的、最代表性的地下水模擬軟件。

肖杰等[15]采用MODFLOW軟件建立地下水滲流場，由運移時間的長短不同確定了各級保護區范圍。

3 劃分水源保護半徑——以勝科水務為例

沈陽勝科水務有限公司(簡稱勝科)主要從事自來水的生產、供應、銷售，水廠、取水設備及供水管網建設、維修、維護的生產經營活動。每天供水量最高可達11萬t。供水對象為經濟技術開發區內的企業及居民，服務居民約為10萬人，服務企業超過1000家，包括可口可樂、采埃孚、沈陽機床、米其林、貝卡爾特、東北制藥、康師傅、NSK、特變電工、沈陽鼓風、遠大博林特、三一重工、北方重工、統一食品等中外知名企業。

勝科水源所處的沈陽經濟技術開發區位于陰山東西復雜構造帶東延部位，與新華夏系第2個一級隆起帶和第2個一級沉降帶的交接部位。隱伏構造有東西向構造、新華夏系構造、華夏系構造、北西向構造及南北向構造，被大厚度第4紀松散堆積物所掩埋。東西向構造、新華夏系構造均為壓性斷裂。華夏系構造有壓性斷裂和褶皺。勝科水源所在區域處于沈陽凸起之上。

2016年中央環保督查組對勝科水源進行了督查，發現部分水源井保護區內存在違規問題，提出了整改要求。為此沈陽經濟技術開發區管委會、勝科公司積極開展整改，對問題水源井進行整改并重新劃分保護區。

2010年原遼寧省環境保護廳遼環發〔2010〕56號及2018年遼寧省政府遼政〔2018〕163號，對勝科的水源井保護區范圍進行了批復。第1次劃分即以水井為圓心，以30m為半徑的地區劃為一級保護區，將一級區外徑300m距離當作二級保護區。2010年勝科水源保護區劃定時因技術、時間限制，對水源井的承壓性未得出明確結論，故此在劃定過程中采用了更為嚴格的標準。

2017年勝科委托沈陽中惠工程勘察有限公司編制了《沈陽勝科水務有限公司地下水給水工程水文地質調查分析報告》，報告明確，根據區域水文地質條件調查及成井結構分析，沈陽勝科水務有限公司地下水源井成井結構為承壓井，取水層位為上更新統(Q3)松散巖類孔隙承壓水含水層和中下更新統(Q1)松散巖類孔隙承壓水含水層。

2018年修訂版《規范》中強調，在設定保護區時需結合本地區域的實際情況來劃定保護區，并對此提出了新的標準。需要結合勝科水務地下井為承壓水型地下水源井的實際情況，對水源保護區實行優化。承壓型飲用水保護區只設一級，不設二級保護區；有要求時，將補給區劃為準保護區[16]承壓水含水層的補給源為多向補給，主要為區域側向徑流補給[17]。

近年為切實解決中央環保督查提出的勝科水源保護區環境問題，在綜合考慮環境、經濟、社會效益后，經濟技術開發區及勝科新建水源井(新建水源井38眼)，在解決環保問題同時保障區域居民、企業用水需求，維護社會穩定。故此需要對新建的38眼水源井劃定保護區。

由于本區域的水文地質參數等相關資料收集相對比較全面，故此采用數值模型法。對于模型計算結果，構建溶質遷移數值模型，逐步計算100d溶質遷移距離，同時利用經驗公式校核；將模型計算結果、經驗公式計算結果、經驗值中的最大值作為本方案水源井一級保護區劃定依據。

根據研究區地質條件參數概念，建立地下水污染質運移模型：

c(x,y,t)|t=0=0(x,y)∈D

c(x,y,t)|Г=c1(x,y,t) (x,y)∈Г1,Г2,Г3,Г4,t>0

式中，D為模擬區域；Г1，Г2，Г3，Г4為已知濃度邊界；n為含水層介質的孔隙度，無量綱；c為污染質濃度，mg·L-1；Dx，Dy為水動力彌散系數在x、y方向的分量，m2·d-1；vx、vy為滲透流速v在x、y方向上的分量，m·d-1；I單位為mg·m-2·d-1。

數學模擬模型建立之后，運用GMS軟件中的MODFLOW，MT3DMS工具箱對數學模型進行求解，計算得到各水源井的保護半徑。根據已有的水文參數水力坡度為0.00069，滲透系數為60m·d-1，有效孔隙度為0.28，以溶質運移擴散的最大路徑當作一級保護半徑。計算出各水源井溶質100d遷移距離15.13～18.61m。

運用經驗公式計算溶質100d遷移距離：

R=α×K×I×T/n

式中，R為保護半徑(即100d遷移距離)，m；α為安全系數，一般取150%；K為含水層滲透系數，m·d-1；I為水力梯度；T為溶質水平遷移時間，取100d；n為有效孔隙度。利用經驗公式法計算距離為9.54～20.7m。

4 結論

由于計算機具有解出一些復雜數據的優勢，對復雜的含水結構層地質構造進行了剖析，以及數值模擬方法的科學性，建議多運用數值模擬模型結合經驗公式科學地劃分保護半徑，使保護半徑更加合理，并適用于大型的地下水水源保護區的研究劃分。并且采用3級劃分的方法來劃分保護區域。

根據數學模型計算各水源井溶質100d遷移距離為15.13～18.61m，經驗公式法計算距離為9.54～20.7m。可以看出，應用經驗公式法模擬計算得到的保護半徑，與運用地下水污染質運移模型計算得到的保護半徑總體相對，結果基本吻合，計算結果較為可靠。

因模型計算、經驗公式計算的保護區半徑均較小，為更好更有效地保護水源，則推薦按照《規范》中經驗值確定最終一級保護區半徑。

表1

勝科水務的水源井為孔隙水承壓型井，以水源井為中心，半徑30m的圓形區劃定為一級保護區，通過對潛水與承壓水、地表水與承壓水水質分析，區域內潛水水質、地表水系水質與承壓水基本無關聯，以水源井為中心在一級保護區外徑向延伸一定范圍劃為準保護區基本不會對水源井起到保護作用。

借鑒《規范》發布后吉林省及河北省對承壓水水源井的批復，本方案建議暫不劃定準保護區，在日后技術、經濟條件更為成熟、水文地質調查資料更為細致充分或國家明晰補給區劃定方法后再進行劃定準保護區。

需要在水廠內部對勝科水源地設置監測點位，監測頻次為每月2次。根據沈陽市城市集中式飲用水水源地保護水質要求，水源地水質應達到或優于《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標準。全年常規監測中，地下水全指標監測2次，每月必測指標11項。并進行預警監控狀況，包括預警監控完成率和視頻監控完成率2項指標。